Введение к работе
Z/P44^7
Актуальность работы. При строительстве промышленных и транспортных объектов специального назначения в изделиях и конструкциях достаточно широко применяются различные композиционные материалы (КМ), вид которых определяется реализуемыми технологическими процессами создаваемых производств и условиями их эксплуатации. К ним относятся: покрытия полов, фундаменты, корпуса аппаратов и емкостей, лотки и отстойники сточных технологических вод, шпалы верхнего строения железных дорог и метрополитенов, лесовозных и трамвайных путей, переезды, платформы, подверженные воздействию химически активных жидкостей, грунтовых вод, атмосферных осадков, переменных температур, что и предопределяет необходимость обеспечения особых свойств этих материалов, основными из которых являются коррозионная стойкость, долговечность и экологическая безопасность.
Мировая практика показывает, что наиболее распространенным материалом, в частности для изделий транспортного строительства, является древесина. Так, шпалы на ее основе составляют до 80 % от их общего числа, являясь в то же время наименее долговечными. Нормативные сроки их службы при пропитке древесины антисептиками составляют 13...19 лет, но, в связи с интенсификацией грузопотоков и увеличением нагрузок и скоростей, они снижаются до 8... 10 лет. Основными причинами этого являются механический износ и гниение древесины, особенно в узлах прикрепления рельсов к шпалам. Для замены шпал в России необходимо вырубать ежегодно до 12 млн. м3 лесов, являющихся «легкими» планеты, причем вырубке подлежат деревья в возрасте 80... 100 лет, количество которых неуклонно снижается из-за их целенаправленного уничтожения, при этом огромное количество древесины остается в лесу или сжигается.
Особую актуальность приобретает настоящая работа в свете ожидаемых глобальных изменений в атмосфере планеты, когда в результате потепления и возможных наводнений будут гибнуть леса и сократится количество кислорода. Следовательно, лесной фонд уже сегодня надо сохранять, применяя цельную древесину для строительных изделий лишь там, где ее невозможно заменить на другие материалы.
Железобетон, применяемый для аналогичных целей, наиболее доступен для решения проблемы дефицита древесины, практически равен ей по начальной стоимости и более долговечен, но при этом, как правило, не учитываются экономические потери, которые складываются из физико-технических и механических недостатков этого материала - большой массы, хрупкости и жесткости, требующих применения демпфирующих прокладок, а также возможности расшатывания закладных болтов крепления рельсов к шпалам, приводящей к авариям на транспорте.
Решение проблемы создания эффективных КМ для специальных конструкций и изделий на основе широко распространенного растительного сырья, а также сырья техногенного происхождения, яипмпуя ия-ягной х"з^йг-п»ганлй задачей, что обеспечит снижение стоимости cfrnpjftreflbflTBtM)JtiMi№$e надежно-
"БИБЛИОТЕКА 3 '
ста, улучшение экологии. При этом предусматривается использование входящих в состав композитов материалов, дополняющих друг друга по различным комплексам свойств.
Важнейшим при решении обозначенной проблемы является обеспечение совместной работы компонентов различной природы, например, таких, как полимерные смолы, стекловолокно, древесина, неорганические модифицирующие наполнители, заполнители и др. Современные технологии КМ требуют учета процессов и явлений, протекающих на границах раздела фаз, которые способствуют коренному изменению свойств межфазных поверхностей и, соответственно, структуры и свойств композита в целом. К особенностям проявления межфазных взаимодействий в композитах относится наличие в них частиц, существенно различающихся по размерам: от коллоидных, близких к сферическим, волокнистых, обладающих значительной поверхностной энергией, до грубодисперсных, характеризующихся преобладанием массовых сил. Совершенствование КМ требует детального изучения как взаимосвязи появляющихся внутренних сил и определяющих их факторов в процессах изготовления конструкций, так и в условиях их эксплуатации при различных видах силовых воздействий.
Учитывая острую необходимость повышения экономической эффективности широкого использования техногенных продуктов лесного комплекса, химической промышленности и местного сырья, основное внимание в диссертации уделялось разработке стекло- и древесностекловолокнистых композиционных материалов (СВКМ, ДСВКМ), главные исходные компоненты которых отличались по своим генезису и свойствам.
Исследования и разработки, обобщенные в диссертации, проведены автором в период с 1989 по 2004 г.г. на кафедре сопротивления материалов и теоретической механики ВГЛТА. Они выполнялись в соответствии с планами НИР Российской академии естественных наук (РАЕН), Всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ) МПС РФ и ВГЛТА по проблеме «Разработка композиционных материалов для шпал и колейных покрытий, их расчет, конструирование и внедрение на дорогах лесного комплекса» № госрегистрации 01.2.00105351, код направления ГРНТИ 67.09.55,73.29.11.
Цель исследования - разработка и решение научных и практических проблем создания строительных композиционных материалов и изделий для промышленных и транспортных объектов специального назначения на основе продуктов глубокой переработки древесины, техногенного и местного сырья, отвечающих требованиям к их прочности, деформативности, трещиностойко-сти и долговечности под действием физических факторов и обеспечивающих заданные характеристики в особых условиях эксплуатации.
Для достижения поставленной цели автором решались следующие основные задачи:
1. Рассмотреть концептуально проблему создания эффективных композиционных материалов на основе сырья, различного по генезису и свойствам.
-
На основе анализа механизма коррозионного и иных видов разрушений полимерных материалов, имеющих в составе фурфуролацетоновые смолы, древесину и стекловолокно, обеспечить требуемую их стойкость и долговечность.
-
Теоретически обосновать и экспериментально подтвердить основные закономерности формирования микро- и макроструктуры древесностеклово-локнистых и стекловолокнистых материалов применительно к их новым вариантам, предлагаемым для изделий, используемых в особых условиях эксплуатации - наличие агрессивных сред, перепады температуры и т.д.
-
Исследовать и оценить влияние отдельных компонентов на свойства создаваемых композиционных материалов, используя для представления этих зависимостей новые аналитико-графические модели, и дать рекомендации по оптимизации их составов с учетом экономического эффекта от их применения.
-
Разработать теоретические основы и методы гидрофобизирующей защиты древесного заполнителя и изделий из древесностекловолокнистых композиционных материалов (ДСВКМ).
-
Оценить влияние физических факторов на стойкость разрабатываемых композиционных материалов во времени от начала отверждения полимерного связующего до конца заданного срока эксплуатации, разработать методы ее повышения, получить математические модели для представления экспериментальных данных и оценки долговечности по результатам исследований процессов ползучести ДСВКМ.
7. Разработать рациональную технологию древесностекловолокнистых
материалов и внедрить их на объектах промышленного и транспортного строи
тельства.
Научная новизна работы, определяющая личный вклад автора в науку о материаловедении, состоит в следующем:
на основе теоретических обобщений и экспериментальных исследований созданы композиционные материалы с применением продуктов глубокой переработки древесины и техногенных отходов;
с позиций положений физической и коллоидной химии, физико-химии поверхностей и механики композиционных материалов, впервые даны оценки свойствам структурообразующих компонентов ДСВКМ, которые определяют эксплуатационные характеристики и технологию производства изделий;
установлены зависимости основных механических характеристик полимерно-песчаной матрицы композитов на смоле ФАМ от массовой доли и свойств основных компонентов, технологии их дозирования и перемешивания;
оценена роль синергетических эффектов взаимодействия компонентов ДСВКМ, определено их оптимальное количество, обеспечивающее получение заданных свойств конечных композитов и экономическую целесообразность;
впервые предложены математические модели, отражающие физический смысл процессов формирования структуры разрабатываемых композиционных материалов и модели, необходимые для расчета напряжений и деформаций в объеме ДСВКМ под действием факторов температуры и усадки, проявляющихся при полимеризации смолы ФАМ, технологическом прогреве изделий, остывании и увлажнении в процессе эксплуатации, количественной оценки их влия-
ния и установлении причин появления микро- и макротрещин, а затем их устранения;
впервые доказана возможность комплексной защиты композиционных материалов от разрушающего действия давления стесненного набухания древесного армирующего заполнителя, которая осуществляется за счет введения в состав матрицы ДСВКМ модифицирующих наполнителей, а также пропитки поверхности изделия и этого заполнителя. В последнем случае был впервые использован факт того, что процесс разбухания древесины прекращается при достижении предела насыщения, равного 30 %, не только водой, но и гидрофоби-зируюшими соединениями, предпочтительно линейных углеводородов, и оценена их стойкость в условиях эксплуатации;
разработаны новые методы прогнозирования и оценки длительной прочности и ожидаемой долговечности ДСВКМ по результатам исследований процессов ползучести при изгибе без и при одновременном обводнении, определены величины пределов длительного сопротивления, длительных секущих модулей деформации, коэффициентов длительности и длительных деформационных коэффициентов, а также впервые доказаны эффективность гидрофоби-зирующей защиты и неизменность структуры материала при такого рода воздействиях;
экспериментально подтверждена гипотеза о том, что условный предел пропорциональности - это напряжение, соответствующее пределу длительного сопротивления конструкционных композиционных материалов.
Достоверность результатов и выводов работы обуславливается использованием результатов фундаментальных исследований в области материаловедения, в частности композиционных материалов на основе термореактивных смол, а также древесиноведения, научных положений технологий поли-мербетонов, разработанных ведущими в этой области учеными РФ.
Доказательность ряда научных положений подтверждена методиками, разработанными автором диссертации. Основные численные результаты и количественные закономерности получили вероятностную оценку на базе статистической обработки экспериментальных результатов исследований. Выводы и рекомендации нашли применение при разработке автором составов и раздельных технологий производства изделий, прошедших стендовые и эксплуатационные испытания.
Практическая значимость работы и реализация ее результатов:
- разработаны технические условия № 5340-001-0206897-96* (2001)
«Шпалы для железнодорожных, трамвайных и лесовозных путей на поли
мерной основе», зарегистрированные в Воронежском ЦСМ 6.02.97
№ 040/001787, и соответствующие регламенты отливки шпал, которые исполь
зованы при организации их производства в городах Ельце, Липецке и Во
ронеже;
- разработаны составы; отлиты, испытаны и переданы на Ст.-Оскольский
электрометаллургический комбинат (ОАО ОЭКМ) 150 подкладочных плит из
СВКМ на смоле ФАМ для рельсового пути большегрузного штабелера отливок
металла;
получены гигиенический сертификат № 14 от 30.01.97 и каталожный лист продукции № 030011757 от 06 02.97, разрешающие производство железнодорожных шпал из ДСВКМ;
шпалы из ДСВКМ установлены в 1994 г. на 36 пути Елецкого отделения ЮВЖД на длительные эксплуатационные испытания. К настоящему времени по ним перевезено более 30 млн. т км брутто грузов - руды Курской магнитной аномалии. Испытания продолжаются в экспериментальном кольце ГУП ВНИИЖТ МПС РФ (г. Щербинка) с декабря 2001 г. Разработки автора применены также для создания электролизных ванн, ванн производства двуокиси марганца и установленных в гальванических цехах, а также конструкций лесовозных дорог, подъездных путей, для защиты емкостей хранения агрессивных жидкостей, устройства полов и в других целях, о чем имеются утвержденные отчеты по НИР с №№ госрегистрации 73052796, 76057460, 77054252, 01.960.010578, 01.200.200926, 01200112432 и соответствующие акты о внедрении, а также использованы в учебном процессе ВГЛТА.
Апробация работы. Материалы работы доложены, обсуждены и получили одобрение на научно-практических и научно-технических конференциях:
1) международных - г. Йошкар-Ола (1999 г.), г. Брянск (2000 г.), г. Воронеж (2000 г., 2001 г., 2003 г., 2004 г.), г. Новосибирск (2005 г.); 2) с международным участием - г. Воронеж (2001 г., 2002 г., 2004 г., 2005 г.); 3) на Всероссийских - г. Воронеж (1994 г., 1998 г.); 4) на межвузовских - г. Воронеж (1999 г., 2000 г., 2003 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 76 работ. Основные результаты исследований - в 41 научной работе, в том числе в 2 монографиях, 2 патентах РФ и включены в технические условия.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи разделов, основных выводов, библиографического списка (285 наименований) и содержит 400 страниц машинописного текста, в том числе 71 рисунок, 57 таблиц и 2 приложения (44 страницы).
